Теплоэнергетическое оборудование и энергосбережение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 841 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
м о с к о в с к и й ИНСТИТУТ СТАЛИ 

и СПЛАВОВ 

МИСиС 

Кафедра теплофизики и экологии металлургического 
производства 

Л.А. Шульц 
t 

Теплоэнергетическое 
оборудование 
и энергосбережение 

Учебное п о с о б и е 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению Металлургия 

Москва 
Издательство «УЧЕБА» 
2 0 0 7 

УДК 662.99:669.013 
Ш95 

Рецензент 
канд. техн. наук, проф. В.А. Муравьев 

Шульц Л.А. 
Ш95 
Теплоэнергетическое оборудование и энергосбережение: 
Учеб. пособие. – М.: МИСиС, 2007. – 252 с. 

Учебное пособие включает все основные разделы учебной дисциплины 
«Теплоэнергетическое оборудование и энергосбережение», содержащие исторические и современные представления о тепловой энергетике. В нем рассматриваются различные источники энергии и перспективы их развития. 
Проанализированы способы производства энергоносителей и их основное 
оборудование. Значительное внимание уделяется энерго-экологическому 
анализу энергетического и металлургического производства. 

Предназначено для студентов МИСиС, обучающихся по специальности 
280202 «Инженерная защита окружающей среды», направлению 280200 «Защита окружающей среды», «Техносферная безопасность» – профиль 1, специальности и направлению 550103 «Теплофизика, автоматизация и экология 
промышленных печей». 

© Государственный технологический 
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2007 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
5 

Введение 
7 

1. История тепловой энергетики на фоне становления и 
развития человеческого общества 
15 

1.1. Фрагменты предыстории развития человеческого 
общества на Земле 
15 

1.2. Огонь – основа современной человеческой цивилизации 
20 

1.3. Закон сохранения энергии и другие научные 
предпосылки современной теплоэнергетики 
32 

1.4. Энергетические кризисы в истории человеческого 
общества 
37 

1.5. Теплоэнергетика на базе ядерного топлива 
39 

1.6. Энергетика возобновляемых и других альтернативных 
источников энергии 
45 

1.7. История климата и его энергетическая биорегуляция 
54 

1.8. Энергоэффективность жизненного цикла изделий – 
ключевая задача в обеспечении устойчивого развития 
современного общества 
60 

2. Энергетические системы промышленного предприятия 
63 

3. Котлы и другие установки для производства водяного пара 
74 

3.1. Топливные котлы 
78 

3.1.1. Тепловой и эксергетический балансы котла 
80 

3.1.2. Экологическая эффективность работы котлов 
91 

3.2. Котлы-утилизаторы и системы испарительного 
охлаждения 
99 

4. Преобразователи теплоты стационарной электроэнергетики 
110 

4.1. Паровые турбины 
110 

4.2. Газовые турбины 
119 

4.3. Энергоэффективность работы ТЭЦ, ПГУ-ТЭЦ 
126 

5. Лопастные газодувные машины 
134 

5.1. Центробежные вентиляторы 
134 

5.2. Осевые вентиляторы 
148 

5.3. Турбовоздуходувные машины 
150 

6. Производство кислорода методом глубокого охлаждения 
156 

6.1. Сжижение воздуха 
159 

6.2. Ректификация воздуха и производство кислорода 
в установках низкого давления 
165 

3 

7. Вакуумирование и вакуумные установки 
171 

7.1. Элементы расчета вакуумных систем 
172 

7.2. Вакуумные насосы 
175 

8. Энерго-экологическая эффективность технологического 
производства (на примере черной металлургии) 
183 

8.1. Энерго-экологическая оценка металлургического 
производства 
183 

8.1.1. Энергетическая оценка 
185 

8.1.2. Экологическая оценка 
205 

8.2. Оборот лома черных металлов и его 
энерго-экологическая оценка 
220 

8.3. Оценка возможных изменений в металлургии 
в условиях развивающейся электроэнергетики и увеличения 
потребления каменного угля 
231 

Заключение 
244 

Библиографический список 
249 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Энергетика – одна из форм природопользования, один из основных источников загрязнения окружающей природной среды, оказывающий серьезное влияние на тепловой баланс между биосферой и 
космическим пространством. В своей основе энергетика современной человеческой цивилизации является тепловой, т.е. получение 
необходимых видов энергии (электрической, механической и др.) в 
подавляющем большинстве случаев связано с преобразованием теплоты, выделяемой при сгорании минерального и других видов топлива, распаде (или синтезе) ядерного горючего, теплоты, поступающей от Солнца, термальных источников и др. Важнейшая задача 
современной, в основе своей тепловой энергетики – это повышение 
ее энерго-экологической эффективности на всех этапах выработки, 
преобразования и использования энергии. 

Содержание учебного пособия 

Введение. Рассмотрены основные проблемные вопросы современной энергетики. 

Глава 1 посвящена главным историческим моментам энергетики, 
что, по мнению автора, будет способствовать выработке у студентов 
системного подхода при оценке достижений соответствующих областей науки и техники, повысит их интерес к теме и позволит лучше 
представить возможные пути ее дальнейшего развития. Показано, 
что развитие энергетики – это зарождение и развитие современной 
человеческой цивилизации. В главе отмечены некоторые моменты из 
истории установления основных законов термодинамики, важных 
для понимания курса. Поясняется термин «эксергия». Приводятся 
основы атомной энергетики, ее проблемы и возможные пути развития. Рассмотрены нетрадиционные и возобновляемые источники 
энергии. Проводится оценка экологических проблем, связанных с 
энергетикой. 

В главах 2, 3 и 4 рассмотрены примеры технической вооруженности и эффективности энергопреобразующей части современной тепловой топливной и утилизационной энергетики. Рассмотрены энергоэкологические элементы работы различных ТЭС, ТЭЦ и ПГУ-ТЭЦ 
(ТЭС), устройств для производства, утилизации и преобразования 
теплоты. 

5 

В главе 5 рассмотрены работа и конструктивные схемы наиболее 
распространенного типа воздуходувок – лопастных машин. Особое 
внимание обращено на современные возможности метода импульсно-частотного регулирования числа оборотов привода таких машин, 
значительно повышающего возможности их экономичной эксплуатации. 

В главах 6 и 7 даются основы производства кислорода и работы 
вакуумной техники, широко используемых в металлургии. 

В главе 8 проанализированы интегральные энерго-экологические 
показатели металлургического производства. Рассмотрены примеры 
определения энергоемкости и экологической ущербоемкости продукции. Прогнозируются энергетически обоснованные направления 
эволюции металлургии. 

В заключительном материале дается оценка возможных путей 
решения надвигающихся мировых энергетических проблем. Показано, что устойчивая и достаточная энергетика в целом является одним 
из главных условий устойчивого экономического и энергоэкологического развития земной цивилизации. 

В теоретический курс не включены материалы расчетных работ, 
которые будут разбираться на практических занятиях. На такие же 
занятия перенесено и рассмотрение поршневых компрессорных машин. 

Пособие включает все основные разделы учебной дисциплины 
«Теплоэнергетическое оборудование и энергосбережение» для подготовки бакалавров, инженеров и магистров и может быть полезно 
при изучении соответствующих тем в дисциплинах «Энергоэкологический анализ и малоотходные технологии», «Экология и 
рациональное природопользование» (курс «Энергия и человек»). 

6 

ВВЕДЕНИЕ 

Процессы, связанные с получением, преобразованием и использованием энергии, неизменно затрагивают интересы каждого человека, 
в какую бы историческую эпоху мы его ни рассматривали. Однако 
особое значение эти вопросы приобрели в последние годы. 

В период 1975–2005 гг. в мире было использовано столько же 
энергетических ресурсов, сколько за весь период человеческой цивилизации, т.е. почти за 7500 лет. Мировое энергопотребление сейчас 
достигло почти 15 млрд т у. т./год (соответствует мощности примерно 14 ТВт). Не случайно энергетическими программами различных 
стран с каждым годом уделяется все большее внимание развитию 
энергосберегающих технологий и, что не менее важно, энергоэкологическому совершенствованию процессов использования топлива и других видов энергии. 

За все время существования земной цивилизации, со времен неолитовой революции, в результате хозяйственной деятельности в атмосферу Земли поступило около 360 млрдт углекислого газа, сейчас 
же в год в атмосферу поступает около 25 млрд т этого газа (почти 
7 млрд т углерода) (Зеленый мир. 2006. № 19–20). Накопление в атмосфере парниковых газов (СО2, СН4 и др.), резко возросшее в последние годы интенсивное энергопотребление наряду с разрушением 
природных экосистем, напрямую связанным с тем же потреблением 
энергии и играющим ключевую роль в фиксации атмосферного углерода в процессе фотосинтеза, все ближе подводит нас к границе возможных серьезных изменений земного климата. 

Геологические мировые запасы горючих ископаемых, которые 
являются основой современной энергетики, по данным ХХVI Международного геологического конгресса, составляют, млрд т у. т. (%): 
уголь – 10126 (89,53), нефть – 743 (6,57), природный газ – 229 (2,02), 
торф – 98 (0,88), горючие сланцы – 114 (1). Условно доступные для 
извлечения запасы, по данным той же организации, оцениваются в 
следующих количествах, млрд т у. т. (%): уголь – 2880 (82,66), 
нефть – 372 (10,68), природный газ – 178 (5,11), торф – 26 (0,75), горючие сланцы – 28 (0,8). Всего мировые геологические запасы горючих ископаемых составляют 11310 млрд т у. т., условно доступные – 
3484 млрд т у. т. 

Геологические запасы горючих ископаемых в настоящее время 
примерно в три раза превышают запасы, условно доступные для раз
7 

работки и использования. При современном уровне добычи все доступные месторождения будут исчерпаны ориентировочно за следующие сроки: уголь – 250–300 лет, природный газ и нефть – 50– 
75 лет, т.е. за срок, неизмеримо меньший времени существования 
современной цивилизации. 

Россия по геологическим запасам газа занимает 1-е место – 
47,8 трлн м3, Иран – 26,7, Катар – 25,8 трлн м3. По запасам нефти мы 
находимся на 7-м месте – 10,2 млрд т, на первом месте Саудовская 
Аравия – 36,3, на втором месте Иран – 18,9, на третьем месте Ирак – 
15,5 млрд т (по данным журнала «АиФ» за 2006 г., №29). 

Оценки геологических и доступных запасов горючих ископаемых 
в результате последующих поисковых работ, безусловно, будут изменяться в сторону их увеличения. Так, например, намечается проведение исследовательских работ по извлечению газа (состоящего в 
основном из метана) из угольных пластов, из глубоководных месторождений, из вечной мерзлоты, из нижних слоев земной коры. Его 
суммарные запасы могут в миллиарды раз превысить все учитываемые в настоящее время геологические запасы горючих ископаемых. 
Однако пока нет никаких надежд на хотя бы временную приостановку роста себестоимости добывания энергоресурсов даже из традиционных месторождений. Более того, уже сейчас энергозатраты на добычу и транспортировку энергоресурсов в ряде случаев достигают 
70–75 % их фактической энергетической ценности. 

Очень важный, несмотря на разные точки зрения, источник энергии – атомная энергетика. В 2003 г. на долю атомных электростанций 
приходилось около 6 % мировой выработки электроэнергии. Однако 
общие мировые запасы потребляемого в настоящее время изотопа 
урана 235 составляют порядка 4 млн т, что соответствует обеспеченности атомным топливом всего на 30 лет. Использование реакторовразмножителей открывает новые возможности в применении традиционно накапливаемого оружейного плутония и существенно расширяет топливную базу атомной энергетики. 

Возлагаются определенные надежды и на использование термоядерной энергии, для производства которой имеются огромные ресурсы дейтерия – тяжелой воды (в природной воде до 0,014 % дейтерия). Поставить ядерный синтез на службу человеку позволило бы 
обеспечить его практически неисчерпаемым источником энергии. 
Это же процесс, который лежит в энергетической основе «жизни» не 
только Солнечной системы, но и всей Вселенной! 

8 

Объем добычи ископаемых топлив в мире непрерывно увеличивается, но ограниченность этой тенденции уже ощущается в настоящее 
время даже в нашей богатой ресурсами стране. В России первичных 
энергоресурсов в 2020 г. намечено произвести 1990 млн т у. т. (в 
2000 г. было произведено 1380 млн т), в том числе: угля 370 млн т, 
нефти и газового кондесата 500 млн т, природного газа 740 млрд м3, 
гидроэнергии 215 ТВт ч, атомной энергии 303 ТВт ч, нетрадиционных источников 20 млн т у. т.(2000 г. – 1 млн т у. т.). В последующие 
годы суммарное производство первичных энергоресурсов возрастет 
следующим образом: 2030 г. – до 2115 млн т у. т, 2040 г. – до 2185, 
2050 г. – до 2215. Видно, что темпы общего прироста производства 
первичной энергии к середине XXI века заметно снизятся. Максимальная же добыча природного газа в 2030 г. достигнет 810 млрд м3, 
после чего она также начнет снижаться: к 2040 г. – до 765 млрд м3, 
2050 г. – до 725 млрд м3. По уровню же добычи нефти и газового 
конденсата мы уже достигли максимального уровня. В 2030 г. она 
составит 455 млн т, 2040 г. – 445 млн т, а в 2050 г. – 430 млн т. Причем добыча нефти в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке с 
2000 г. до 2050 г. возрастет в 30 раз – с 3,5 до 105 млн т. Добыча природного газа в этом регионе за период 2000–2030 гг. увеличится почти в 18 раз – с 7 млрд м3 до 125 млрд м3, после чего стабилизируется. 
Как и многие другие страны, Россия испытывает значительный дефицит коксующихся углей, особенно в европейской ее части. 

Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии в настоящее время ориентировочно составляет (без учета дров и других видов биотоплива), %: нефть – 40–45, 
уголь – 25–30, газ – 20–25, ГЭС и АЭС – 3–5. Энергопотребление в ЕС в 
2000 г. составило (план на 2030 г.), %: нефть – 41 (38), уголь – 16 (19), 
газ – 22 (29), АЭС – 15 (6), ВИЭ – 6 (8). В энергобалансе первичных источников энергии в России первое место занимает природный газ. В 
США на долю природного газа приходится примерно 21 %, угля – 27 %, 
бóльшую же часть в энергетическом балансе составляют продукты переработки нефти – 40 %, на долю АЭС приходится 6 %, ГЭС – 5 %, прочие – 1 %. В топливном балансе тепловых электростанций основным 
видом топлива является: в России – природный газ (63–66 %), США – 
уголь (54–57 %), в Германии – уголь (50–52 %), в Китае и Индии – уголь 
(75–80 %). На ТЭС мира доля угля составляет 38–40 %, в России – 16,5– 
17 %, Японии – 27–28 т. 

Объем добычи и производства первичных топливно-энергетических 
ресурсов (ТЭР) в России в 2004 г. составил 1693,4 млн т у. т., потребле
9 

ния – 951,1 млн т у. т. 
0,9 ТВт (по данным журнала «Теплоэнергетика», 
№ 12 за 2005 г.). Потребление добытой энергии ископаемого топлива 
распределилось следующим образом: нефть и нефтепродукты – 21,5 %, 
природный газ – 60,1 %, уголь – 18,4 %. Доля ископаемого топлива, используемого на ТЭС, составила 25 % (в США около 30 %). Уровень ГЭС 
и АЭС в первичных ТЭР (при топливном эквиваленте: 1 кВт ч = 0,35 кг 
у. т.) оценивается в 113,7 млн т у. т., или 12 %. Объем производства электроэнергии в 2004 г. в России составил 931 млрд кВт ч: ТЭС – 65,4 %, 
ГЭС – 19 %, АЭС – 16,4 %. Потребление электроэнергии в нашей стране 
в 2000 г. составляло 880 ТВт ч, в 2005 г. – 993, в 2010 г. планируется выработка 1127 ТВт ч. Ежегодно спрос на электроэнергию увеличивается 
на 2 – 4 %. С учетом ограниченности ископаемого топлива после почти 
двадцатилетней паузы в связи с чернобыльской аварией все больше 
внимания уделяется производству электроэнергии на атомных электростанциях. Так, на атомных электростанциях в 2030 г. планируется выработка 430 ТВт ч электроэнергии, в 2040 г. 545 ТВт ч, 2050 г – 668 ТВт ч, 
выработка гидроэнергии в те же годы соответственно составит: 230, 255 
и 285 ТВт ч. Есть все основания полагать, что выработка ядерной электроэнергии существенно превысит приведенные здесь плановые показатели. Ожидается существенное расширение технологий АЭС на быстрых нейтронах, позволяющих утилизировать плутоний из отработанного 
топлива, расширить топливную базу за счет не используемого сегодня 
урана 238, а также сформировать замкнутый ядерно-топливный цикл, 
обеспечить нераспространение ядерного оружия, сократить время полураспада радиоактивных отходов. Из правительственных выступлений 
следует, что уже к 2030 – 2050 гг. доля атомной электроэнергии в России 
возрастет с 16 % в 2006 г. до 25 %. Возрастает стремление к расширению 
АЭС и в других странах, т.е. мир начинает осознавать, что использование углеводородного топлива в скором времени не позволит обеспечить 
его энергетической безопасности. 

Определенные надежды в энергетическом обеспечении возлагаются 
на возобновляемые и нетрадиционные энергоносители, к которым прежде всего относят солнечную энергию, гидроэнергию, энергию ветра, 
волн, приливов и отливов, термальный градиент моря, геотермальную 
энергию, энергию преобразованной биомассы, древесного угля, торфа, 
синтетического жидкого топлива из угля, энергию битуминозных песчаников и сланцев. На необходимость «вовлечения в хозяйственный 
оборот возобновляемых источников энергии» указывается и в Законе 
РФ «Об энергосбережении» (1996 г.). Разработками альтернативной 

10